底角锚杆在巷道底鼓中的应用研究

摘 要：随着我国煤炭开采深度不断增大，井下巷道所受的围岩应力也不断增大，造成巷道底鼓显现频发，文章介绍了对底角锚杆控制技术和作用机理进行了相关的介绍，并通过应用数值模拟的方法对深部巷道有无底角锚杆进行了相关的模拟，模拟结果显示通过施加底角锚杆可以很好的控制巷道底鼓的产生。

关键词：底鼓；底角锚杆；数值模拟

引言

随着开采深度的增加的，巷道产生底鼓现象也越来越严重，国内外学者进行了大量的探索来控制巷道产生底鼓，主要体现在两个方面：一个是预防底鼓的产生，可通过松动爆破、切缝卸压、钻孔卸压、可缩性封闭金属支架、底板打锚杆、锚索调动深部围岩强度、底板注浆等技术方法，二个是对底鼓巷道进行起地，清除鼓起的岩石及煤块。

1 底角锚杆

1.1 底角锚杆控制技术

根据底鼓防治技术和现场实践表现可以看出，通过给巷道底板增加底角锚桿，可以对底板帮角岩体进行加固，从而生产加固圈，使底板稳定性增加。底角锚杆的作用主要体现在以下几点：一是进行底角锚杆施工可以分散底角区应力的集中，使围岩受力条件改变，在底角区可以形成较高的承载拱，使底角围岩塑性区向深部发展降低，增加了底角区围岩的自承能力，降低了两帮部的塑性变形；二是底角锚杆的施工能够阻止巷道帮部的塑性滑移线，降低了两侧帮部的挤压力，从而有效地控制底鼓。

1.2 底角锚杆的作用机理

巷道底部围岩体简化成弹塑性介质，对挤压流动性底鼓的速度场和滑移线场的表示如图1所示。

图中Ps=γH，Ps为底板受松动围岩的压力，γ为岩石比重，H为围岩的松动高度；φ为围岩的内摩擦角，a是巷道宽度；b是围岩的松动宽度；A、B为底板围岩的两组滑移线，DGCFE线为间断线。

根据滑移线的速度场性质可推导出：图1中，△BEF、△ADG分别与x轴成-（4/π-？渍/2），整体移动的方向是（4/π-？渍/2），同时根据间断线知，所移动的方向与AG、BF垂直。

扇形区BFC、AGC做整体移动的方向径向法线围绕A、B两点。要使围岩的移动方向垂直锚杆轴向，需要在BF、AG直线上布置锚杆。围岩要进行移动就必须抵消掉锚杆的绕流阻力。在Ps-P等于绕流阻力时，巷道底部处在一种极限的平衡状态，底鼓就不会发生。即便布置在A、B点上的锚杆失去作用，底板中部的移动量也远大于围岩对巷道空间的移动量。试验与现场分析也可以看出用底角的加固技术来提高底角的岩体的稳定性是可以的，同时对于底角稳定性来控制底鼓的支护理论也是可以行的，对于治理底鼓效果显著。

2 数值模拟

2.1 数值模型的建立

根据巷道围岩赋存特性、巷道地质资料及岩石、锚索锚杆、喷砼层的力学特性，建立模型，该模型的长*宽*高等于50m×30m×50m，划分出35210个单元所形成的结构单元4166个，节点39166个，限制模型侧面的水平移动，对底部进行固定，模型上表面添加应力边界，载荷为22MPa，模拟岩层倾角为20°，Mohr-Coulomb准则作为岩体破坏准则，建立的模型如图2，力学参数见表1所示。

2.2 巷道力学分析

2.2.1 无底角锚杆应力场分析

图3所示为底板应力分布图，右肩部及底板出现3.16MPa的小范围拉应力，别的部分为压应力5.0MPa，肩部及左帮的压应力为25MPa。分析原因可知，是由于底板及右帮岩石强度低，受到拉应力后使围岩体结构破坏，强度减小。应力给深部转移过程中，由于左帮岩石强度大于所受应力，岩石无法被破坏，造成应力集中。

2.2.2 施加底角锚杆应力场分析

图4所示显示的是施工底角锚杆后巷道围岩的应力分布云图。对底角周边施工锚杆后，根据底角锚杆的力学特性影响，巷道两肩部和底板的压应力分别是25MPa和5MPa，应力向深部转移。图4中显示两侧的应力影响区域变小，底板及两侧所受压应力分别是20MPa和2.5MPa，表明应力在向深部移动。

3 结束语

文章通过对底角锚杆的控制技术和相关原理进行了简单的介绍，并通过数值模拟的方法对深部巷道有无底角锚杆进行了相关的数值模拟，相似模拟得出的结果说明通过对底板施工底角锚杆可以使应力集中区向巷道深部移动进一步减少在巷道底角区域出现，从而减少围岩应力对巷道底板产生的影响。进而将巷道底鼓控制在最低的限度内，可以有效地控制巷道底鼓的产生。

参考文献

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作者简介：马小丰（1984），男，河南焦作人，助理工程师，2007年本科毕业于河南理工大学电气工程及自动化专业，现就职于陕煤彬长胡家河矿业有限公司，从事于煤矿安全管理等工作。